1912年设县。因汉代五原郡得名。五原郡因地有原五所，即龙游原、乞地千原、青领原、可岚贞原、横槽原而得名。
秦为九原郡地，汉为朔方郡地。清初为达拉特旗和 杭锦旗地，1903年归五原厅。五原厅治所先后设在包头、大余太、白圪梁、隆兴昌。1912年置五原县。1925年冯玉祥曾率部在五原“红色誓师”响应北伐，据此一度称义旗县。
1996年?，五原县面积2492平方千米，人口27.9万人。辖4个镇、17个乡：隆兴昌镇、巴彦套海镇、塔尔湖镇、复兴镇、和胜乡、胜丰乡、荣丰乡、城南乡、美林乡、沙河乡、向阳乡、锦旗乡、什巴圪图乡、永利乡、乃日拉图乡、海子堰乡、银定图乡、丰裕乡、民族乡、景阳林乡、城关乡。县政府驻隆兴昌镇。
2000年第五次人口普查，五原县总人口269082人，其中：隆兴昌镇73445人，塔尔湖镇13484人，巴彦套海镇13676人，复兴镇12668人，胜丰乡11934人，和胜乡10970人，向阳乡12313人，城南乡8294人，荣丰乡8681人，沙河乡10483人，美林乡9854人，永利乡10802人，什巴圪图乡9914人，银定图乡9118人，海子堰乡10151人，景阳林乡5014人，民族乡8803人，乃日拉图乡9511人，丰裕乡10021人，锦旗乡6465人，巴盟建丰农场2756人，内蒙五原劳教所725人。
2001年区划调整后，全县辖7个镇、7个乡：隆兴昌镇、塔尔湖镇、套海镇、复兴镇、新公中镇、天吉太镇、胜丰镇、和胜乡、城南乡、向阳乡、美林乡、什巴乡、海子堰乡、银定图乡；国营建丰农场。
2006年末，全县总面积2492.9平方千米，辖7个镇，总人口27.73万人，其中农业人口200563人。2009年末，全县总面积2492.9平方千米，辖7个镇，总人口27.7万人，其中农业人口20.6万人。
2012年，（1）从巴彦套海镇划出部分区域，设置复兴镇。复兴镇面积154平方千米，人口2.1万人，辖复兴、永丰、民生、联丰、和胜、顺利、庆生、庆丰8个村。镇政府驻邬家地。巴彦套海镇行政区划调整后，面积328.9平方千米，人口2.3万人，辖先进、红旗、锦旗、锦绣堂、赛丰、和平、风雷、红丰、南毛庵、向阳、永生、响导、红赛13个村。镇政府驻地不变。（2）从隆兴昌镇划出部分区域，设置和胜乡。和胜乡面积120平方千米，人口1.3万人，辖新建、新永、和义、和平、和胜、新丰、建丰7个村。乡政府驻屯垦二队。隆兴昌镇行政区划调整后，面积384.9平方千米，人口11.7万人，辖迎丰、乌兰、荣义、东牛犋、永星、浩丰、义丰、荣丰、先锋、旧城、联乐、联丰、宏伟、五星、联合、永跃、同联、新福、光明、隆盛、新兴、和丰、跃进、荣誉24个村。镇政府驻地不变。调整后，五原县辖隆兴昌镇、塔尔湖镇、巴彦套海镇、新公中镇、胜丰镇、天吉泰镇、银定图镇、复兴镇、和胜乡。